[发明专利]磁性隧道结结构及磁性随机存储器

说明书

本申请提供一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器，所述磁性隧道结结构包括自由层、在自由层之上设置隔断层和具有垂直各向异性的高自旋激化率自旋激化层，将自旋电子聚集于自由层周围，增加翻转自由层磁化矢量的自旋转移力矩。由于自旋激化层的引入，使得磁性隧道结在写过程中的自旋转移力矩，得到了有效的提升，非常有利于MTJ器件临界电流(I_C0)的降低，提升MRAM电路写的速度，降低写功耗与提升耐久性的，非常适用于快速超低功耗的应用环境中。

技术领域

本发明涉及存储器技术领域，特别是关于一种磁性隧道结结构及磁性随机存储器。

背景技术

磁性随机存储器(Magnetic random access memory，MRAM)在具有垂直各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy；PMA)的磁性隧道结(Magnetic tunnel junction；MTJ)中，作为存储信息的自由层，在垂直方向拥有两个磁化方向，即：向上和向下，分别对应二进制中的“0”和“1”或者“1”和“0”，在实际应用中，在读取信息或者空置的时候，自由层的磁化方向会保持不变；在写的过程中，如果与现有状态不相同的信号输入时，则自由层的磁化方向将会在垂直方向上发生一百八十度的翻转。磁随机存储器的自由层磁化方向保持不变的能力叫做数据保存能力或者是热稳定性，在不同的应用情况中要求不一样，对于一个典型的非易失存储器(Non-volatile Memory，NVM)而言，数据保存能力要求是在125℃的条件下可以保存数据十年，在外磁场翻转，热扰动，电流扰动或读写多次操作时，都会造成数据保持能力或者是热稳定性的降低。

为了提升MRAM的存储密度，近年来，磁性隧道结的关键尺寸(CriticalDimension， CD)越来越小。当尺寸进一步缩小时，会发现磁性隧道结的热稳定性因子(Δ)急剧变差。为提升超小型MRAM单元器件的热稳定性因子(Δ)，可以通过降低自由层的厚度，在自由层里添加或把自由层改为低饱和磁化率的材料等一些列措施来增加有效垂直各向异性能量密度，进而维持较高的热稳定性因子(Δ)，但临界写电流密度会相应大幅增加而导致存储元耐久性降低，同时磁性隧道结的隧穿磁阻率(Tunnel MagnetoresistanceRation，TMR)将会降低，进而会增加存储器读操作的错误率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种在自由层之上具有额外自旋激化结构，结合自旋激化层和参考层的对翻转所述自由层磁化矢量所需自旋转移力矩具有激化与聚集效应的磁性隧道结结构及磁性随机存储器。

本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本申请提出的一种磁性隧道结结构，设置于磁性随机存储单元，所述磁性隧道结由上至下结构至少包括自由层、势垒层与参考层；所述自由层上方设置包括：隔断层，设置于所述自由层上，所述隔断层由下至上包括缓冲层与自旋扩散层，所述缓冲层由金属氧化层形成，所述自旋扩散层为高自旋扩散长度的金属构成；自旋激化层，设置于所述自旋扩散层上，由具有垂直各向异性的高自旋激化率的磁性材料形成；其中，所述缓冲层为所述自由层提供一个额外的垂直各向异性界面各向异性来源，及导引所述自旋扩散层的晶格形成，所述自旋扩散层导引所述自旋激化层所需的晶格生长，及所述自旋激化层的磁化矢量与所述参考层的磁化矢量方向均固定不变并垂直于材料平面，且相互为反平行。

本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。